[发明专利]一种强反射水声材料及其应用

说明书

本发明涉及一种强反射水声材料及其应用，属于水声材料设计与水声传播控制技术领域。本发明所述的水声材料需满足如下条件：剪切波波速与纵波波速比值小于1/5，y主轴方向的刚度与x主轴方向的刚度比值大于10，主轴与界面夹角θ≠0°和90°；本发明所述的水声材料具有低阻抗、高刚度特性，同时对宽频、斜入射声波有效，能够满足深水、高压环境下的水声强反射需求；另外，本发明所述水声材料在阻隔水下噪声、低频水声高指向性声源以及声压探测方面具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种具有强反射特性的水声材料及其应用，属于水声材料设计与水声传播控制技术领域。

背景技术

声波从一种介质入射到另一种介质时，由于阻抗不匹配会出现能量反射，这一物理现象称为波的反射。声波反射在生活与科学研究中均有重要应用：高速路旁的隔音板通过将噪声反射实现阻隔；利用固体对空气声的强反射，采用固体薄板即可设计二维平面空气声波导。在上述隔声与波导应用中，材料对声波的反射强弱是影响设计的关键因素，材料反射越强则所需材料越薄，更符合工程实际需求。

阻抗(Z)是声学介质的基本声学参数，定义为密度(ρ)与声速(c)的乘积，即Z＝ρc，可以刻画两相介质传声的匹配程度。声波在两相介质界面的反射强弱由阻抗差异决定，两相介质阻抗差异越大，声波在界面处产生的反射就越强，反之则越弱。金属、陶瓷等常规固体与空气的声速大致相当，最多相差一个数量级，但其密度比空气高3个量级，使得常规固体阻抗比空气大3个数量级，常规固体与空气的界面反射非常强，厘米厚度固体板即理想地反射空气声，因此，常规固体可看作对于空气声的强反射材料。然而，常规固体的密度、声速最多比水大1个量级，即常见固体与水的阻抗仅相差1个量级，所以常规固体很难实现对水声的强反射，除非采用非常厚重的固体板，但这严重限制了其在实际工程中的应用。尽管通过固体等高阻抗材料很难实现水声强反射，但可以通过空气等低阻抗材料实现水声强反射。比如，空气的阻抗较水小3个量级，较薄空气层即可实现良好水声阻隔，然而，低阻抗也导致了空气刚度极低的致命缺陷，几乎不具备任何承载能力，很难适用于具有承载要求的水声强反射需求。由于低阻抗与高刚度的矛盾在各向同性材料中难以避免，目前还未研究出对水声具有强反射特性的水声材料。

发明内容

针对目前缺少水声强反射材料的问题，本发明提供了一种强反射水声材料，该水声材料具有低阻抗、高刚度特性，同时对宽频、斜入射声波有效；而且本发明所述的水声材料在阻隔水下噪声、低频水声高指向性声源以及声压探测方面具有很好的应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

对于各向同性材料，低阻抗与高刚度之间存在不可回避的矛盾。然而，通过理论研究发现，该矛盾在各向异性固体材料中则可能避免。从各向异性固体材料界面传声问题入手，通过激发各向异性固体材料的剪切波可以对阻抗进行调节，实现极低的等效声阻抗，从而达到强反射的目的，而且这种调节不会对各向异性固体材料的刚度产生显著的影响，满足了低阻抗与高刚度的要求。下面介绍具体的理论分析过程：

如图1所示，界面左侧区域为水，界面右侧区域为各向异性固体材料，各向异性固体材料主轴与界面夹角θ≠0°和90°；平面波从左侧区域正入射至界面，入射波将激发各向异性固体材料中的剪切波与纵波，波矢方向与界面法向一致，一部分声能量在界面反生反射，另一部分则透射入各向异性固体材料，考虑界面连续性条件可求得声压反射系数，

式中，R为反射系数，Z_s为各向异性固体材料的等效声阻抗，ρ₀为水的密度，c₀为水的声速，ρ_s为各向异性固体材料的密度，c_T为剪切波的波速，c_L为纵波的波速，v_L为纵波极化参数，g为调节因子。